操作系统核心原理-2.一些基本概念

一、计算机硬件基础

1.1 总线结构

　　从概念上讲，计算机的结构是总线型的：布置一根总线将各种硬件设备挂在总线（Bus）上。

　　（1）所有的设备都有一个控制设备，外部设备通过控制器与CPU进行通信。

　　（2）所有的设备之间的通信也需要通过总线。

1.2 流水线结构

　　为了提高计算机的效率，人们又设计出了流水线结构：仿照工业流水装配线，将计算机的功能部件分为多个梯级，并将计算机的每条指令拆分为同样多个步骤，使每条指令在流水线上流动，到流水线最后一个梯级时指令执行完毕。

　　下图展示了5个梯级的流水线结构，流水线上的每个梯级都可以容纳一条指令并同时执行。

　　在流水线的基础之上，为了进一步提高效率，人们又发明了多流水线、超标量计算和超长指令字等多指令发射机制。

1.3 存储结构

　　除了指令执行单元外，计算机中的另一个重要部件是指令的存放单元，被称为存储架构。存储架构包括了缓存、主存、磁盘、磁带等。下图展示了一个包括寄存器在内的5级存储介质构成的存储架构。

　　从寄存器到磁带，每一级存储媒介的访问延迟和容量均依次增大，而价格却依次降低。从图中可以看出，寄存器的访问速度最快，容量最小，但成本却最高；磁带的访问速度最慢，容量最大，但是成本却最低。通过合理搭配，可以形成一个性价比颇高的存储架构。

1.4 中断机制

　　中断是计算机里面的一个最为重要的机制，它也是操作系统获得计算机控制权的根本保证。其基本原理是：设备在完成自己的任务后向CPU发出终端，CPU判断优先级，然后确定是否响应。如果响应，则执行中断服务程序，并在中断服务程序执行完后继续执行原来的程序。下图简单地描述了中断机制：

二、抽象

　　所谓抽象，就是在根本上存在但现实中不存在的东西。抽象来源于具体，但又超越具体。

　　操作系统提供的抽象来源于显示，就是具体的计算机硬件，如CPU、内存、I/O设备等等。但又超出这些现实，给人提供了强于现实的东西，使人和应用软件感觉到更多、更好的硬件存在。

　　抽象不只是操作系统提供给用户的一个存在，它也存在于操作系统内部。操作系统内部分为不同的功能模块，而不同功能块之间互相提供的也是抽象。想想在我们得实际开发中，是不是也遵循着这样类似的原则？针对抽象编程？面向接口编程？依赖于抽象而不依赖于具体？

三、内核态与用户态

残酷的现实：世界上的人并非都是平等的，有些人生来占有的资源就多，而有的人占有的资源就很少。当有些人来了，其他人就得让出资源。程序亦是如此。

　　操作系统作为计算机的管理者，享有着更多的方便或权限。为了区分不同的程序的不同权限，人们发明了内核态和用户态的概念。

3.1 两种状态的概念

　　内核态就是拥有资源多的状态（或访问资源多的状态），也称为特权态。而用户态则是非特权态，在用户态下访问的资源会受到限制。例如，要访问OS的内核数据结构，如进程表等，则需要在特权态下才能做到。如果只需要访问用户程序里的数据，则在用户态下就可以了。

3.2 两种状态的优势

　　内核态：访问资源多，但可靠性、安全性要求高，维护管理都比较复杂；

　　用户态：访问资源有限，但可靠性、安全性要求低，维护起来比较简单；

　　那么，一个程序到底应该运行在内核态还是用户态呢？这取决于其对资源和效率的需求；下图展示了Windows操作系统的内核态与用户态的界限，我们可以看到哪些需要在内核态下运行，哪些只在用户态下运行。

3.3 两种状态的本质

　　计算机对于内核态和用户态的识别是通过CPU的一个状态位来实现的，这个状态位是CPU状态字里面的一个字位。所谓的用户态、内核态实际是CPU的一种状态，而不是程序的状态。通过设置该状态字，可以使CPU处于内核态、用户态或者其他的子态（有的CPU有更多种子态）。

　　换句话说：一个程序运行时，CPU是什么态，这个程序就运行在什么态。

　　那么，知道了是怎么实现的，那又是如何对用户态的访问进行限制的呢？在对用户态下程序执行的每一条指令进行检查，这种检查又被称为地址翻译，即对程序发出的每一条指令都要经过这个地址翻译过程（你可以将其理解为我们在实际开发中所作的权限管理，对用户发出的每个操作请求首先都经过一个Filter进行过滤），通过对翻译的控制，就可以限制程序对资源的访问。

四、操作系统结构

4.1 单一体结构

　　单一体结构是最早期的结构，这时整个OS是一个巨大的单一体，运行在内核态下，为用户提供服务，如下图所示。

　　但单一体结构各功能块之间关系复杂，修改困难，牵一发而动全身，且容易形成循环调用造成死锁，于是有了下面的层次关系。

4.2 层次化结构

　　将操作系统的功能分成不同的层次，低层次的功能为紧邻其上一个层次的功能提供服务，而高层次的功能又为更高一个层次的功能提供服务，如下图所示。

4.3 微内核结构

　　从单一体和层次化结构的图中可以看出，操作系统的所有功能都在内核态下运行。但是，从用户态转为内核态是有时间成本的，这样就会造成OS的效率低下。于是，人们将操作系统的核心中的核心才放在内核态运行，其他功能都迁移到用户态运行，于是就有了下面的微内核结构。

五、进程、内存和文件

5.1 进程

　　进程是OS中的核心概念，它指的是一个运动中的程序。一个程序一旦在计算机里运行起来，它就称为一个进程。进程与进程之间可以进行通信、同步、竞争，并在一定情况下可能形成死锁。

5.2 内存

　　内存是另一个核心概念，它是进程的存放场所。OS要做的就是对内存进行管理，使得数据读写高效、安全、简单。

5.3 文件

　　文件是操作系统提供的外部存储设备的抽象，它是程序和数据的最终存放地点。OS要做的就是让用户的数据存放变得容易、方便和可靠。

六、系统调用

　　操作系统是一个系统程序，即为别的程序提供服务的程序。那么，操作系统的服务是通过什么方式提供的呢？答案就是：系统调用（System Call）。

　　所谓系统调用就是：操作系统提供的API，用户通过调用这些API即可获得操作系统的服务。（想想是不是跟我们现在所作的什么Web Service、WCF、WebAPI、开放API之类的一致？）例如，如果用户程序需要进行读磁盘的操作，在C程序代码中可以使用如下语句来操作：

    result = read(fd, buffer, nbytes);

　　这个read函数是C语言提供的库函数，而这个库函数本身则是调用的操作系统的read系统调用。具体的系统调用过程不是我们讨论的重点，但我们还是可以通过下图来看看这个read系统调用的过程。

参考资料

邹恒明，《操作系统之哲学原理》，机械工业出版社

 

作者：周旭龙

出处：http://edisonchou.cnblogs.com

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